Laser Quantum Cascade à cavité externe rapide, courant de seuil bas, onde continue

Contexte

La région de l'infrarouge moyen (MIR) du spectre électromagnétique est la région de l'empreinte moléculaire, puisque les énergies de transition ro-vibrationnelles fondamentales de la plupart des molécules se trouvent dans cette région spectrale. La spectroscopie d'absorption laser dans la région MIR est importante pour un grand nombre d'applications telles que l'analyse médicale de l'haleine, la détection des polluants atmosphériques et la surveillance des effluents industriels [1,2,3]. En particulier, avec le développement rapide des lasers MIR, les performances des instruments optiques basés sur la méthode de spectroscopie ont été considérablement améliorées pour fournir des mesures rapides, sensibles et précises.

Pour la spectroscopie d'absorption laser, un laser monofréquence accordable avec une largeur de raie étroite et une puissance modeste est requis. Les lasers à cascade quantique à rétroaction distribuée (DFB) [1] sont des sources de lumière appropriées pour ces applications en raison de leur largeur de raie très étroite [4], de leur puissance de sortie élevée et de leur fonctionnement en onde continue (CW) à température ambiante. Cependant, un seul laser DFB a une plage de réglage très limitée de quelques cm ⁻¹ (~ 10 cm ⁻¹ ) via un réglage de température lent, ce qui limite son utilité pour les fonctions d'absorption à large bande et la détection de gaz multi-espèces [5]. Les baies DFB ont atteint une capacité de réglage impressionnante sur 220 cm ⁻¹ . Cependant, les réseaux DFB nécessitent une lithographie par faisceau d'électrons pour fabriquer différentes périodes de réseau, ce qui est complexe et coûteux. De plus, les réseaux DFB nécessitent une combinaison de faisceaux de différentes longueurs d'onde pour les applications de détection [6, 7].

Les lasers à cascade quantique à cavité externe (EC-QCL) sont largement utilisés comme sources lumineuses fiables et largement accordables, qui peuvent fournir une plage de réglage supérieure à 300 cm ⁻¹ [8] avec balayage lent par moteur pas à pas. Pour l'EC-QCL traditionnel, le réglage sans saut de mode peut être réalisé par le système de suivi de mode proposé par Wysocki et al. [9]. Le courant laser et la longueur EC sont modulés avec des rampes de tension triangulaires adaptées en phase pendant le processus de réglage. Cependant, cela ne permet qu'un réglage sans saut de mode de ~ 1 cm ⁻¹ à n'importe quelle longueur d'onde à l'intérieur de la plage d'accord complète de l'EC-QCL [10]. Un taux d'accord de longueur d'onde EC-QCL élevé est nécessaire pour réduire le temps de mesure des mélanges chimiques en phase gazeuse. Les EC-QCL à balayage rapide ont été conçues avec un système micro-électromécanique (MEMS) intra-cavité ou un modulateur acousto-optique, qui peut balayer> 100 cm ⁻¹ sur une échelle de temps inférieure à la ms [11]. Malheureusement, ces systèmes EC-QCL à balayage rapide ont de faibles résolutions spectrales d'environ ~ 1 cm ⁻¹ , ce qui n'est pas suffisant pour les caractéristiques d'absorption étroite.

Récemment, une source EC-QCL à longueur d'onde balayée pour les mesures de caractéristiques d'absorption larges a été développée par M.C. Phillips et al. [12, 13]. La longueur d'onde balayée EC-QCL peut être réglée sur plus de 100 cm ⁻¹ à une vitesse de balayage de 200 Hz avec une puissance de sortie moyenne de 11 mW au pic de la courbe d'accord à un cycle de service de 50 %. Cependant, le fonctionnement pulsé introduirait un élargissement de la ligne en raison du courant pulsé. Dans cet article, nous utilisons le galvanomètre à balayage dans la géométrie de la cavité Littman-Metcalf pour réaliser une longueur d'onde rapide EC-QCL avec une plage de réglage de 135 cm ⁻¹ de 2105 à 2240 cm ⁻¹ (4,46 à 4,75 μm). Le courant de seuil était aussi bas que 250 mA en fonctionnement CW à température ambiante. Une mesure résolue dans le temps à l'aide de la technique infrarouge à transformée de Fourier à balayage progressif (FTIR) a été effectuée pour l'EC-QCL balayé à plusieurs reprises à 100 Hz. Un analyseur de spectre laser a été utilisé pour évaluer la résolution spectrale. Avec une modulation en dents de scie, une résolution spectrale de < 0,2 cm ⁻¹ peut être obtenu dans la plage de réglage.

Méthodes

Le système EC est basé sur la configuration Littman-Metcalf et se compose de trois éléments principaux, l'élément de gain, dans notre cas la puce QCL Fabry-Perot (FP) avec une lentille de collimation, un réseau de diffraction et un galvanomètre à balayage, comme illustré à la Fig. 1. Le noyau actif QCL à contrainte compensée comprend 30 périodes avec In_0,67 Ga_0.33 As/In_0.36 Al_0.64 Ainsi que des puits quantiques et des barrières, respectivement, similaires à celui décrit dans [14]. Les dispositifs ont été traités dans une configuration d'hétérostructure enterrée en utilisant un dépôt chimique en phase vapeur métal-organique (MOCVD) pour la repousse sélective d'InP dopé au Fe. La puce de gain FP-QCL avec une largeur de crête de 12 μm et une longueur de 3 mm a été utilisée pour construire l'EC-QCL. Revêtement à haute réflectivité (HR) composé d'Al₂ O₃ /Ti/Au/Ti/Al₂ O₃ (200/10/100/10/120 nm) et revêtement antireflet (AR) d'Al₂ O₃ /Ge (448/35 nm) ont été évaporés sur la face arrière et la face avant de la puce de gain, respectivement. La puce FP-QCL a été montée côté épicouche vers le bas sur un dissipateur thermique SiC avec soudure à l'indium, filaire, puis montée sur un support contenant une thermistance combinée à un refroidisseur thermoélectrique (TEC) pour surveiller et ajuster la température du dissipateur thermique.

Schéma de configuration de la cavité externe Littman-Metcalf

La configuration Littman que nous avons utilisée se compose d'une lentille de collimation avec une distance focale de 6 mm, un réseau de diffraction avec 210 rainures/mm et un galvanomètre à balayage (Thorlabs, GVS111). Dans la configuration de Littman illustrée à la Fig. 1, la lumière de premier ordre est diffractée dans le galvanomètre à balayage, puis réfléchie dans la puce FP-QCL par le réseau de diffraction et la lumière laser monomode émise est extraite par réflexion d'ordre zéro de le réseau de diffraction.

La puissance optique émise et le spectre de l'EC-QCL ont été mesurés avec un détecteur à thermopile calibré et un spectromètre FTIR, respectivement. Toutes les mesures ont été prises avec la puce FP-QCL maintenue à 25 °C en fonctionnement continu.

Résultats et discussion

La figure 2a montre les spectres cw mesurés à différents angles de galvanomètre à balayage avec un courant d'injection de 330 mA. Le pic d'émission passe de 2105 à 2240 cm ⁻¹ en faisant tourner le galvanomètre au pas de 0,1°. La figure 2b montre la puissance de sortie mesurée et le rapport de suppression de mode latéral (SMSR) à différents angles de galvanomètre à balayage identiques à ceux de la figure 2a. Un SMSR supérieur à 25 dB a été réalisé dans presque toute la plage de réglage. La puissance de sortie moyenne était d'environ 8 mW et le profil de puissance de sortie était cohérent avec le spectre d'électroluminescence. La figure 3 illustre les courbes puissance-courant-tension (P-I-V) mesurées pour l'EC-QCL dans la région centrale à 2 180 cm ⁻¹ . Le courant de seuil de l'EC-QCL était de 250 mA, correspondant à une densité de courant de seuil (J _ème ) de 0,833 kA/cm ² . La puissance de sortie maximale en continu de 20,8 mW a été obtenue à 400 mA.

un Les spectres d'émission normalisés de l'EC-QCL mesurés à 25 °C en fonctionnement continu avec un courant de 330 mA. Le spectre adjacent a été mesuré avec le pas de rotation du galvanomètre de 0,1°. b Puissance de sortie mesurée (courbe rouge) et SMSR (point noir) de l'EC-QCL à différents angles de galvanomètre à balayage

Les caractéristiques P-I-V de l'EC-QCL dans la région centrale à 2180 cm ⁻¹

Caractérisation du scan EC-QCL

Nous avons utilisé un générateur de signal pour générer une onde sinusoïdale de 100 Hz. En mettant en œuvre l'onde sinusoïdale sur le galvanomètre à balayage, la longueur d'onde EC-QCL peut être balayée à plusieurs reprises en mode cw avec un courant de 330 mA. L'amplitude de l'onde sinusoïdale est de 3 V, ce qui correspond à l'angle d'accord total de 3 °. Pour une démonstration de la caractérisation du balayage EC-QCL, une mesure résolue dans le temps à l'aide de la technique FTIR à balayage progressif peut être appliquée. Cette technique a souvent été utilisée pour étudier des processus répétés [15]. Nous synchronisons le signal généré avec le FTIR, et les mesures ont été effectuées avec une résolution spectrale de 0,2 cm ⁻¹ et une résolution temporelle de 20 ns. Les pics d'émission résolus dans le temps ont été tracés sur la figure 4. L'EC-QCL a commencé à 2180 cm ⁻¹ puis syntoniser vers des nombres d'ondes inférieurs. Après 1/4 de période, le pic d'émission a atteint le nombre d'onde minimum. Le nombre d'onde réglé de 2105 à 2240 cm ⁻¹ dans les prochaines demi-périodes. Pour la configuration Littman :

Les pics d'émission résolus dans le temps de l'EC-QCL fonctionnaient en mode cw à 330 mA et la modulation du galvanomètre à balayage à 100 Hz

où est la longueur d'onde EC-QCL, d est la période de râpage, m est l'ordre de diffraction, et et sont les angles indiqués sur la Fig. 1. La lumière de premier ordre est réfléchie vers le galvanomètre à balayage puis renvoyée dans la puce FP-QCL. Lorsque le galvanomètre à balayage tourne d'un angle de , la formule ci-dessus devient :

Dans notre configuration, m = 1, β = 7,7°, d = 4,76 μm, et l'EC-QCL peut fonctionner en mode de balayage rapide avec le galvanomètre à balayage balayé à 100 Hz avec un taux de 12,6 rad/s, offrant un taux de réglage de longueur d'onde de 59,3 μm s ⁻¹ .

Nous avons utilisé un analyseur de spectre laser (Bristol modèle 771) pour évaluer la résolution spectrale. En raison du temps de réponse minimum d'environ 0,5 s pour l'analyseur de spectre laser, nous avons réduit la fréquence du galvanomètre à 0,02 Hz, ce qui permet d'enregistrer le cycle complet de réglage de la longueur d'onde. Comme le montre la figure 5a, en modifiant l'angle du galvanomètre, la longueur d'onde variait de façon discontinue et le saut de mode d'environ 0,5 cm ⁻¹ pourrait être clairement identifié. Le saut de mode est principalement associé aux modes FP de la puce QCL en raison de l'effet antireflet non idéal du revêtement AR. Afin de réduire l'espacement des sauts de mode, nous ajoutons une modulation d'onde en dents de scie (0,02 Hz, 40 mA) au courant d'entraînement CC sur la puce QCL avec le galvanomètre à un angle fixe. L'accord de longueur d'onde avec la modulation d'onde en dents de scie a été montré sur la figure 5b. Au cours d'une période, la longueur d'onde est réglée en douceur sur des nombres d'ondes inférieurs, ce qui peut compenser les 0,5 cm ⁻¹ saut de mode. Cependant, il est à noter que l'accord de longueur d'onde n'est pas linéaire sur une période, ce qui est attribué à la fluctuation de température du dissipateur thermique QCL. La longueur d'onde EC-QCL mesurée avec à la fois le réglage du galvanomètre et la modulation d'onde en dents de scie a été montrée sur la figure 5c. Par rapport à la figure 5a, l'espacement des sauts de mode a diminué à moins de 0,2 cm ⁻¹ .

un La longueur d'onde EC-QCL mesurée avec la tension du galvanomètre de 20 mV et la fréquence de réglage de 0,02 Hz. Le saut de mode est d'environ 0,5 cm ⁻¹ . b L'accord de longueur d'onde EC-QCL mesuré avec une modulation d'onde en dents de scie (0,02 Hz, 40 mA), qui peut compenser les 0,5 cm ⁻¹ saut de mode. c La longueur d'onde EC-QCL mesurée avec le réglage du galvanomètre et la modulation d'onde en dents de scie

Conclusions

En résumé, nous avons conçu un EC-QCL à longueur d'onde à balayage rapide et étudié ses performances, y compris la sélection de mode unique, la plage de réglage et la puissance de sortie. La technique FTIR à balayage par étapes à résolution temporelle et l'analyseur de spectre laser ont été appliqués pour mesurer la plage de réglage et la résolution spectrale. L'EC-QCL pouvait balayer à plusieurs reprises à 100 Hz sur toute sa plage de réglage de 135 cm ⁻¹ (environ 290 nm) avec une résolution de numérisation de < 0,2 cm ⁻¹ , qui peut être obtenu avec une modulation d'onde en dents de scie. Le seuil CW de l'EC-QCL était aussi bas que 250 mA avec une puissance maximale de 20,8 mW. La faible consommation d'énergie et la caractéristique de longueur d'onde rapide de l'appareil pourraient en faire une source lumineuse prometteuse pour les applications de détection de gaz traces.

Abréviations

AR :

Anti-reflet

CW :

Onde continue

DFB :

Commentaires distribués

EC-QCL :

Laser à cascade quantique à cavité externe

FTIR :

Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier

RH :

Haute réflectivité

MEMS :

Système micro-électromécanique

MIR :

Moyen infrarouge

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur métal-organique

P-I-V :

Puissance-courant-tension

QCL :

Lasers à cascade quantique

SMSR :

Rapport de suppression de mode latéral

TEC :

Glacière thermoélectrique